机器人学基础第8章机器人编程蔡自兴PPT课件

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1、中南大学中南大学蔡自兴，谢蔡自兴，谢 斌斌zxcai,2010机器人学基础机器人学基础第八章第八章 机器人编程机器人编程1Ch.8 Robot ProgrammingFundamentals of Robotics1Review General Considerations in Trajectory Planning Interpolated Calculation of Joint Trajectories Planning of Cartesian Path Trajectories Real Time Generation of Planning Trajectories2Fundam

2、entals of Robotics23QuestionsAccording to level of task description,how many categories can robot programming languages be split into?List out several commonly used robot programming languages.Comparison between off-line programming and teach by showing.Ch.8 Robot Programming3Contents Requirements a

3、nd Language Types to Robot Programming Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 4Ch.8 Robot Programming4Ch.8 Robot Programming 机器人编程语言是一种程序描述语言程序描述语言，它能十分简洁地描述工作环境工作环境和机器人的动作动作，能把复杂的操作内容通过尽可能简单的程序来实现。机器

4、人编程语言也和一般的程序语言一样，应当具有结构简明结构简明、概念统一概念统一、容易扩展容易扩展等特点。由于机器人的控制装置和作业要求多种多样，国内外尚未制订统一的机器人控制代码标准，所以编程语言也是多种多样多种多样的。Ch.8 Robot Programming58.1 Requirements to Robot Programming&Type of Languages 机器人编程要求和语言类型机器人编程要求和语言类型8.1.1 Requirements to Robot Programming 对机器人编程的要求对机器人编程的要求World modeling 能够建立世界模型Task sp

5、ecification 能够描述机器人的作业 Motion specification 能够描述机器人的运动 Flow of execution 允许用户规定执行流程Programming environment 要有良好的编程环境 Sensor integration 需要人机接口和综合传感信号 8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages68.1.1 Requirements to Robot ProgrammingWorld modeling8.1 Requirements and Types of Robot Pro

6、gramming Languages78.1.1 Requirements to Robot ProgrammingTask specification(a)(b)8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages88.1.1 Requirements to Robot ProgrammingMotion specification例.机械手运动如下：(1)移至位置“goal1”；(2)再以直线移至位置“goal2”；(3)不停顿地移动经过“via1”，到达停止位置“goal3”。用VAL-II语言：move goal1 move

7、s goal2 move via1 move goal3用AL语言（控制机械手garm）：move garm to goal1;move garm to goal2 linearly;move garm to goal3 via via1;8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages98.1.1 Requirements to Robot ProgrammingFlow of execution允许用户执行测试、分支、循环、调用子程序以及中断等流程。Programming environment包含断点调试功能，以及典型的编

8、程支持（如文本编辑、调试程序和文件系统等）。Sensor integration在编程和作业过程中，应便于人与机器人之间进行信息交换。能与传感器进行信息交互，以此来控制程序的流程。8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages10118.1.2 Types of Robot Programming 机器人编程的类型机器人编程的类型根据编程方式，机器人编程可以分为：Teach by showing(示教编程示教编程)手把手示教Robot programming languages(机器人语言编程机器人语言编程)用专用的或通用的机

9、器人语言来描述机器人的动作轨迹Off-line programming(离线编程离线编程)在专门的软件环境软件环境支持下用专用或通用程序，在离线离线情况下进行机器人轨迹规划编程 示教盒示教8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages11Teach by showing8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages12138.1.2 Types of Robot Programming根据作业描述水平作业描述水平的高低，机器人编程语言可以分为：Motion-l

10、evel programming(动作级动作级)以机器人关节关节或末端执行器末端执行器的动作为中心来描述各种操作；Object-level programming(对象级对象级)以描述操作物体之间的关系操作物体之间的关系为中心的语言；Task-level programming(任务级任务级)只要直接指定操操作作内内容容就可以了，为此，机器人必须一边思考一边工作。8.1 Requirements and Types of Robot Programming Languages13Contents Requirements and Language Types to Robot Programm

11、ing Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 14Ch.8 Robot Programming14158.2 Structure&Basic Functions of Robot Programming System 机器人语言系统的结构和基本功能机器人语言系统的结构和基本功能8.2.1 Structure of A Robot Programming Sy

12、stem 机器人语言系统的结构机器人语言系统的结构8.2 Structure and Basic Functions of A Robot Programming System15168.2.2 Basic Functions of Robot Programming Languages 机器人编程语言的基本功能机器人编程语言的基本功能运算运算(Calculation)：是机器人最重要的功能之一。包括机器人的正解、逆解、坐标变换及矢量运算等。机械手运动机械手运动(Motion of Robot Manipulators)：是机器人最基本的功能。机器人语言用最简单的方法向各关节伺服装置提供一系列

13、关节位置及姿态信息，由伺服系统实现运动。工具指令工具指令(Tool Instruction)：包括工具种类及工具号的选择、工具参数的选择及工具的动作(工具的开关、分合)。8.2 Structure and Basic Functions of A Robot Programming System16178.2.2 Basic Functions of Robot Programming Languages决策决策(Decision)：是指机器人根据作业空间范围内的传感信息而做出的判断决策。这种决策功能一般由条件转移指令实现。通信通信(Communication)：即机器人系统与操作人员的各式通

14、信，包括机器人向操作人员要求信息和操作人员知道机器人的状态、机器人的操作意图等。传感数据处理传感数据处理(Sensor Data Processing)：机器人只有与传感器连接起来才能具有感知能力，具有某种智能。传感器输入和输出信号的形式、性质及强弱不同，往往需要进行大量的复杂运算和处理。8.2 Structure and Basic Functions of A Robot Programming System17Contents Requirements and Language Types to Robot Programming Structure and Basic Function

15、s of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 18Ch.8 Robot Programming18研究室里的实验语言美国斯坦福大学开发的AL语言IBM公司开发的AUTOPASS语言英国爱丁堡大学开发的RAPT语言等；商用的机器人语言由AL语言演变而来的VAL语言日本九州大学开发的IML语言IBM公司开发的AML语言等。8.3 Commonly Used Robot Programming Languages 常用的机器人

16、编程语言常用的机器人编程语言 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages198.3 Commonly Used Robot Programming Languages8.3 Commonly Used Robot Programming Languages208.3 Commonly Used Robot Programming Languages8.3 Commonly Used Robot Programming Languages2122斯坦福大学1974年开发的AL语言是一种高级程序设计系统，描述诸如装配装配(Assembly)一类的任务

17、。它有类似ALGOL的源语言，有将程序转换为机器码的编译程序编译程序和由控制操作机械手和其他设备的实时系统实时系统。基本功能语句：标量（SCALAR）矢量（VECTOR）旋转（ROT）坐标系（FRAME）变换（TRANS）AL Language8.3 Commonly Used Robot Programming Languages22上图是机器人插螺栓作业的示意图。可以建立起图中的base坐标系、beam坐标系和feeder坐标系。Example:机器人插螺栓作业 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages23base FRAME(nilrot

18、，VECTOR(20，0，15)*inches)；坐标系base的原点位于世界坐标系原点（20，0，15）英寸处，z轴平行于世界坐标系的 z 轴base坐标系例.机器人插螺栓作业 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages24beam FRAME(ROT(z，90*deg)，VECTOR(20，15，0)*inches)；坐标系beam原点位于世界坐标系原点(20，15，0)英寸处，并绕世界坐标系 z 轴旋转90beam坐标系例.机器人插螺栓作业 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages25fee

19、der FRAME(nilrot，VECTOR(25，20，0)*inches)；坐标系feeder的原点位于世界坐标系（25，20，0）英寸处，且z轴平行于世界坐标系的z轴 feeder坐标系例.机器人插螺栓作业 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages26Tg base*TRANS(ROT(x，180*deg)，VECTOR(15，0，0)*inches)；建立坐标系Tg，其 z 轴绕base坐标系的 x 轴旋转180，原点距base坐标系原点（15，0，0）英寸处。Tg坐标系例.机器人插螺栓作业 8.3 Commonly Used Rob

20、ot Programming Languages27E Tg*TRANS(nilrot，VECTOR(0，0，5)*inches)；建立坐标系 E，其z轴平行于Tg坐标系的 z 轴，原点距 Tg 坐标系原点（0，0，5）英寸处手爪 E 坐标系例.机器人插螺栓作业 8.3 Commonly Used Robot Programming Languages28MOVE语句用来表示机器人由初始位置和姿态到目标位置和姿态的运动。假定机械手在任意位置，可把它运动到停放位置：MOVE barm TO bpark；如果要求在4s内把机械手移动到停放位置：MOVE barm TO bpark WITH DUR

21、ATION=4*seconds；AL Language8.3 Commonly Used Robot Programming Languages29符号“”可用在语句中，表示当前位置，如：MOVE barm TO 2*zhat*inches；该指令表示机械手从当前位置向下移动2in。由此可以看出，基本的MOVE语句具有如下形式：MOVE TO ；MOVE barm TO VIA f1 f2 f3表示机械手经过中间点f1、f2、f3移动到目标坐标系。AL Language8.3 Commonly Used Robot Programming Languages30用AL语言编制上图中机器人把螺栓

22、插入其中一个孔里的作业。这个作业需要把机器人移至料斗上方A点，抓取螺栓，经过B点、C点再把它移至导板孔上方D点，并把螺栓插入其中一个孔里。参考步骤：（1）定义机座、导板、料斗、导板孔、螺栓柄等的位置和姿态；（2）把装配作业划分为一系列动作，如移动机器人、抓取物体和完成插入等；（3）加入传感器以发现异常情况和监视装配作业的过程；（4）重复步骤13，调试改进程序。Home Work 思考题8.3 Commonly Used Robot Programming Languages31Contents Requirements and Language Types to Robot Programmi

23、ng Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 32Ch.8 Robot Programming32338.4 Off-Line Programming of Robots 机器人的离线编程机器人的离线编程8.4.1 Features of Robot Off-Line Programming随着机器人应用范围的扩大和所完成任务复杂程度的提高，示教方式编程已很难

24、满足要求 机器人离线编程系统利用计算机图形学计算机图形学建立机器人及其工作环境的模型，再利用规划算法通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划 示教编程示教编程和离线编程离线编程两种方式的比较 8.4 Off-Line Programming of Robots33348.4.1 Features of Robot Off-Line Programming可减少机器人非工作时间非工作时间，当对下一个任务进行编程时，机器人仍可在生产线上工作；使编程者远离危险远离危险的工作环境；便于和CAD/CAM系统结合，做到CAD/CAM/机器人一体化一体化；可使用高级计算机编程语言对复杂任务复杂任务

25、进行编程；便于修改修改机器人程序。8.4 Off-Line Programming of Robots34358.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming System8.4 Off-Line Programming of Robots35368.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simul

26、ationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 8.4 Off-Line Programming of Robots36378.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sens

27、orsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 工业机器人一般提供两个用户接口两个用户接口：用于示教编程示教编程，即用示教盒直接编制机器人程序。用于语言编程语言编程，即用机器人语言编制程序，使机器人完成给定的任务。8.4 Off-Line Programming of Robots37388.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulati

28、onDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 机器人系统的几何构型几何构型大多采用三种形式的组合三种形式的组合：结构立体几何表示（覆盖的形体种类较多）扫描变换表示（便于生成轴对称的形体）边界表示（最便于形体在计算机内表示、运算、修改和显示）8.4 Off-Line Programming of Robots38398.4.2 Structure of Robot Off-Line Programmin

29、g SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 分为运动学正解运动学正解和运动学反解运动学反解两部分就运动学反解而言，离线编程系统与机器人控制柜的联系有两种选择 l用离线编程系统代替机器人控制柜的逆运动学，将机器人关节坐标值通讯给控制柜l将笛卡儿坐标值输送给

30、控制柜，由控制柜提供的逆运动学方程求解机器人的形态Which method is better?8.4 Off-Line Programming of Robots39408.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target sy

31、stemWorkcell calibration 离线编程系统需要对机器人的运动轨迹进行仿真。规划的两种类型l自由移动自由移动（仅由初始状态和目标状态定义）l依赖于轨迹的约束运动约束运动（受到路径、运动学和动力学约束）轨迹规划算法l关节空间的插补关节空间的插补l笛卡儿空间的插补笛卡儿空间的插补8.4 Off-Line Programming of Robots40418.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emul

32、ationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 当机器人跟踪期望的运动轨迹时，如果所产生的误差在允许范围误差在允许范围内，则离线编程系统可以只从运动学的角度进行轨迹规划，而不考虑机器人的动力学特性。如果机器人工作在高速高速和重负载重负载的情况下，则必须考虑动力学特性，以防止产生比较大的误差。从软件设计的观点看，动力学模型的建立分为三类l数字法l符号法l解析（数字符号）法 快速有效地建立动力学模型动

33、力学模型是机器人离线编程的主要任务之一 8.4 Off-Line Programming of Robots41428.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 并行操

34、作是在同一时刻同一时刻对多个装置多个装置工作进行仿真的技术用于提供对不同装置工作过程进行仿真的环境 工作原理l在执行过程中，首先对每一装置分配并联并联和串联串联存储器 l如果可以分配几个不同处理器共一个并联存储器，则可使用并行处理，否则应该在各存储器中交换执行情况，并控制各工作装置的运动程序的执行时间 8.4 Off-Line Programming of Robots42438.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning

35、 emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 在离线编程系统中，对传感器进行建模传感器进行建模以及能对装有传感器的机器人的误差校正进行仿真误差校正进行仿真是很重要的。传感器主要分局部局部的和全局全局的两类l局部传感器有力觉、触觉和接近觉等传感器l全局传感器有视觉等传感器 传感器功能可以通过几何图形仿真几何图形仿真获取信息 8.4 Off-Line Programming of Robo

36、ts43448.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 在离线编程系统中通讯接口通讯接口起着联结软件系统和机器人控制柜的桥梁作用。离线编程系统实用化的一个主要问题是缺

37、乏标准的通讯接口缺乏标准的通讯接口通讯接口通讯接口把仿真系统所生成的机器人运动程序转换成机器人控制柜可以接受的代码解决办法可以是选择一种较为通用通用的机器人语言，然后通过对该语言加工加工使其转换成机器人控制柜可接受的语言 8.4 Off-Line Programming of Robots44458.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess s

38、imulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration 校正离线编程系统中的仿真模型（理想模型）和实际机器人模型之间存在的误差基准点基准点方法。通过实际运动与基准点之间的差异形成误差补偿函数，主要用于精度要求不太高精度要求不太高的场合（如喷涂）传感器传感器方法。利用传感器（力觉或视觉等）形成反馈，在离线编程系统所提供机器人位置的基础上进行局部精确定位，该方法用于精精度要求较高度要求较高的场合（如装配）8.4 Off-Line Programming of Robots4546

39、8.4.2 Structure of Robot Off-Line Programming SystemUser interface3-D modelingKinematic emulationPath-planning emulationDynamic emulationMultiprocess simulationSimulation of sensorsLanguage translation to target systemWorkcell calibration8.4 Off-Line Programming of Robots46Contents Requirements and

40、Language Types to Robot Programming Structure and Basic Functions of Robot Language System Commonly-Used Language for Robot Programming Off-Line Programming of Robots Summary 47Ch.8 Robot Programming47488.5 Summary 小结小结根据作业描述水平的高低，机器人编程语言可以分为根据作业描述水平的高低，机器人编程语言可以分为哪几级？哪几级？可分为动作级、对象级和任务级三级。可分为动作级、对象级和任务级三级。常用的机器人编程语言有哪些？常用的机器人编程语言有哪些？AL、VAL、SIGLA、IML离线编程与传统示教编程的比较。离线编程与传统示教编程的比较。8.5 Summary4849